آشنایی با رگولاتور ها و انتخاب رگولاتور – قسمت سوم

• دسته اول بورد های کلاس یک یا بورد های جنرال که اگه خراب بشن ضرر جانی و مالی سنگین ندارن و به راحتی قابل تعمیر هستن مثل کلید لمسی
• دسته دوم یا کلاس دوم که وسایل الکترونیکی پر مصرف مثل تبلت ها و تهویه مطبوع ها هستن و در صورت خرابی هزینه تعمیرات بالایی دارن و به دلیل اهمیتشون در کار اختلال ایجاد میشه مثل ترموستات
• و دسته آخر یا کلاس سوم وسایلی هستن که بسیار حساسن و با جان و امنیت سر و کار دارن که الزامات طراحی این کلاس بسیار زیاد، مهم و حیاتیه مثل شیر برقی گاز که در صورت عدم عملکرد درست باعث تلفات جانی میشه.

• نوع و مقدار ورودی ولتاژ و جریان: به طور مثال برای دزدگیر اصولا ولتاژ ورودی 15 الی17 ولت مستقیمه و جریان ورودی ما هم نهایتا 5 آمپره.

• نوع و مقدار ولتاژ و جریان مورد نیاز بورد: مثلا برای یه کلید لمسی با میکرو esp 3.3 ولت و اگه ماژول simcom هم داشته باشیم 4 ولته.

• کاربری بورد: به طور مثال قراره بورد منبع تغذیه آزمایشگاهی بسازیم یا ترموستات خانه هوشمند طراحی کنیم یا منبع تغذیه یه دستگاه صنعتی رو بسازیم که با توجه به نویز محیط باید ببینیم کدوم رگولاتور به دردمون میخوره.

• توان یا ولتاژ و جریان خروجی: باید با توجه به نیازمون ببنیم دقیقا چه قدره و با توجه به کاربری بوردمون 20 الی 100 درصد بیشتر در نظر بگیریم؛ این مقدار بیشتر برای جریان پیکه که با توجه به کاری که قراره انجام بدیم باید محاسبه کنیم. اگه مدارمون قطعاتی که همیشه فعال نیستن و ساده هستن مثل رله داشته باشه، 20 درصد جریان رو بیشتر در نظر میگیریم و اگه چیزای دیگه مثل simcom داخل بورد باشه حدود 100درصد در نظر میگیریم چون جریان کشی این قطعات خیلی زیاده خصوصا جریان کشی پیک.

• جریان پیک،ثابت و متغیر؛ ما در هر بوردی سه نوع جریان کشی داریم که باید بر اساس اون انتخاب کنیم. جریان پیک بیشتر مقدار جریان لحظه ایه، مثل زمان اتصال simcom به شبکه. اصولا مدار یه مقدار ثابتی رو برای کارکردش مصرف میکنه که میشه جریان ثابت و گاهی به واسطه عملکردی که داره مثل فعال کردن رله یا uln یه جریان کشی متغیر پیدا می کنه که باید برای انتخاب به این سه عامل دقت کنیم.
  یه نکته مهم که باید در نظر داشته باشیم اینه که اصولا جریانی که برای رگولاتورها بیان میشه جریان پیک هست نه جریان ثابت و دایمی.

• گرما و دما و هیت سینک : این مورد در رگولاتور های خطی خیلی خیلی مهمه. برای هر رگولاتور یه دمای کاری نوشته میشه. باید دقت داشته باشیم که این دمای کاری منظور فقط دمای محیط نیست و دمای خود رگولاتوره؛ به طور مثال ممکنه دمای محیط 25 درجه باشه اما دمای رگولاتور ما به خاطر جریان عبوری نزدیک به 110 درجه باشه که برای دفع این گرما و کاهش دما باید از هیت سینک استفاده کرد.اصولا رگولاتورهای خطی یک جای پیچ برای نصب به هیت سینک دارن. البته محاسبه ابعاد و شکل هیت سینک نکات فنی زیادی داره. فقط در نظر داشته باشید برای محاسبه این موارد باید به هر سه پارامتر ضریب انتقال ینی ضریب انتقال حرارت رگولاتور،ضریب انتقال حرارت عایق بین رگولاتور و هیت سینک و ضریب انتقال حرارت هیت سینک دقت کنید.

• میزان افت ولتاژ در جریان: اصولا افت ولتاژ رگولاتورها یا همون drop out شون بر اساس جریانی که ازشون کشیده محاسبه میشه. این نکته خصوصا داخل رگولاتور های LDO خیلی محسوسه؛ مثلا رگولاتور lf33 در جریان 1 آمپر drop out حدود 500 میلی ولت داره در صورتی که در جریان 100 میلی آمپر drop out ش در حدود 200 میلی ولته.

ویژگی های تخصصی

تا اینجا ما ویژگی های پایه ای برای انتخاب رگولاتور رو گفتیم. در ادامه شروع می کنیم به بیان ویژگی های تخصصی که برای دستگاه های حساس باید لحاظ بشه:

• کاربرد : اصولا هر رگولاتوری برای کاربردهای مشخصی ساخته شده مثلا میشه از رگولاتور lm2596 برای کارهای منبع تغذیه،شارژر باطری ها و تامین ادوات مخابراتی استفاده کرد اما lm7805 رو نمیشه برای کارهای صنعتی و حتی نیمه صنعتی به کار برد و در حد پروژه های DIY میشه ازش انتظار داشت.

• حفاظت در برابر اتصال کوتاه : تصور کنید به دلیل خرابی در یک قسمت از بوردتون یه اتصال کوتاه ایجاد بشه. یکی از جاهایی که اصولا آسیب شدید می بینه رگولاتور منبع تغذیه هست؛ برای همین این مورد میتونه یکی از مهم ترین ویژگی های رگولاتورها باشه. رگولاتورهای کاهنده فعلی اکثرا این ویژگی رو دارن.

• تعداد خروجی و نوع اون ها : فرض کنید طراح ردیاب هستید و مدار ما به 3.3 ، 5 و 4.2 ولت نیاز داره. درصورتی که یه رگولاتوری باشه که هر سه مقدار رو بتونه جداگانه به عنوان خروجی داشته باشه خیلی در هزینه های ساخت و طراحی می تونه به نفعمون بشه. یا ممکنه بورد نمونه برداری طراحی کرده باشیم که به مثبت و منفی 5 ولت همزمان نیاز داشته باشیم، که اینجا هم اگه یه رگولاتور هر دو مقدار رو تولید کنه به نفعمونه.

• حفاظت گرمایی : تا حالا فکر کردید اگه دمای یه avr atmega328 بیشتر از 80 درجه بشه چه اتفاقی می افته؟ اگه جوابتون اینه که می ترکه سخت در اشتباهید! این میکرو داخل خودش دماسنج داره و وقتی به این دما می رسه جریان کشی ها رو اون قدر کاهش میده تا دماش کم بشه. همین قابلیت رو بعضی رگولاتورها مثل xl4016 هم دارن ینی زمانی که دماشون از یه حدی بیشتر بشه به طور اتوماتیک قطع میشن.

• حفاظت ولتاژ : می دونستید اگه به یه رگولاتور lm7805 بیشتر از حد مجاز ولتاژ بدید ممکنه بترکه؟ البته همه رگولاتورها اینجوری نیستن و بعضی هاشون وقتی ولتاژ ورودی از حد مجاز بیشتر میشه خروجی رو اتوماتیک قطع می کنن.

• حفاظت جریان : گاهی به دلیل نقص در یه قسمت از بردمون، جریان کشی زیادی اتفاق می افته که اگه رگولاتورمون این قابلیت رو نداشته باشه باید فاتحشو خوند!!!

البته اینم بگم که اصولا وقتی یه رگولاتور حفاظت گرمایی داشته باشه حفاظت جریان هم داره.

• زمان پاسخ گویی : برای دستگاه هایی مثل گجت ها یا ساعت های هوشمند یا اسباب بازی ها خیلی خیلی مهمن چرا که خصوصا در مورد رگولاتور های سوئیچینگ یه زمانی طول می کشه تا ولتاژ خروجیشون تثبیت بشه و موقع قطع ولتاژ ورودی هم باز ما شاهد این اتفاق هستیم.

• پایه خاموش/روشن : فرض کنید دستگاه حضور و غیابی ساختید که منبع تغذیه تون از باطریه. اصولا اگه یه مدت زمانی قسمت اثر انگشت کار نکنه اون قسمت برای اینکه مصرف کمتر بشه خاموش میشه. حالا اگه رگولاتور ما جوری باشه که بشه اونو خاموش و روشن کنیم می تونیم توی مصرف بهتر عمل کنیم و در نتیجه باطریمون بیشتر شارژ نگه میداره. این پایه با on/off یا en نمایش داده میشه. گاهی بالای سر on یا off یه خطی قرار می گیره که منظور حالت دیفالته.

• مصرف در حالت بی بار خصوصا در دستگاه های پرتابل که منبع تغذیه مون باطریه خیلی مهمه.

• دقت : اصولا در دستگاه های دقیق مثل دستگاه های مخابراتی یا FPGA ها مقادیر باید با خطای زیر نیم دهم درصد باشن و در صورتی که ورودی ما این دقت رو نداشته باشه ممکنه در خروجی تاثیر بذاره و کار مارو خراب کنه.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش FPGA

• نویزپذیری : تصور کنید ما دستگاهمون به 5 ولت و 300 میلی آمپر نیاز داره و ما می تونیم از همه رگولاتورهای رایج استفاده کنیم اما اگه محیط ما صنعتی باشه و از lm7805 استفاده کنیم با یه فاجعه رو به رو خواهیم شد!!! چون این رگولاتور بسیار تحت تاثیر نویز محیط قرار می گیره.

• جریان استند بای جریانیه که ما حداقل جریان کشی رو داریم و رگولاتور حداقل این مقدار جریان رو برای خروجی تامین می کنه.

خب تا اینجا از بین ملاک های انتخاب رگولاتور قوا، قیمت رو کامل گفتم، ویژگی ها رو هم به سه قسمت اصلی تقسیم کردم و قسمت پایه و تخصصی رو توضیح دادم. الانم قسمت آخرمون ینی ویژگی های حرفه ای رو بیان می کنم.

ویژگی های حرفه ای

ویژگی های حرفه ای عبارتند از:

• PSRR، که مخفف Power Supply Rejection Ratioهست و معنی تحت اللفظیش میشه نسبت تغییرات منبع تغذیه که فکر کنم چیزی ازش متوجه نشدید!!!
  ساده سادش ینی وقتی ما تو یه سری مدارهای حساس مثل مدارات RF و وایرلس خروجی رگولاتور خیلی برامون مهمه، گاهی با ایجاد یه ریپل توی ورودی خروجیمون هم دچار یه ریپل و تغییری میشه که میتونه منجر به اخلال در عملکرد دستگاهمون بشه. برای همین این پارامتر خیلی خیلی مهمه. اصولا برای اندازه گیری این پارامتر باید به ولتاژ ورودیمون یه ریپل 10 هرتزی تا 10 مگاهرتزی بدیم و ریپل خروجی رو اندازه گیری کنیم که با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشه:

واحد PSSR هم طبیعتا با توجه به جنس موج بودنش و لگاریتمی که داریم دسی بله.

• Impedance: احتمالا شما توی درس های دانشگاهیتون خوندید که از جنس مقاومته و مقاومت هم از نسبت ولتاژ به جریان به دست میاد.اینجا هم همینطوره، ینی امپدانس خروجی یه رگولاتور برابره با نسبت ولتاژ خروجی به جریان خروجی که طبیعتا هر چقدر امپدانس نزدیک به صفر باشه ایده آل تره. از طرف دیگه هر چقدر امپدانس کمتر باشه نویز رگولاتور کمتر و ثبات ولتاژمون بیشتره.

وقتی رگولاتور در حالت بی باریه با وقتی در حالت جریان کشیه یه اختلاف ولتاژ در حد چند میکرو تا چند ده میلی ولت پیدا میکنه که این مقدار برای دستگاه های مخابراتی و RF خیلی حیاتیه. زمانی که FPGA درس می دادم همیشه برای طراحی بوردهای FPGA این نکته رو می گفتم، چون که ممکنه گاهی ما جریان کشی پیکمون در حد چند نانو ثانیه زیاد بشه و این امپدانس سبب میشه ولتاژ به شدت افت پیدا کنه و دستگاهمون آسیب ببینه که محاسبه این مورد هم مثل PSRR باید به صورت آزمایشگاهی صورت بگیره و داخل دیتاشیت و سایت تولید کننده اطلاعات کامل و جامعی وجود نداره.

• راندمان از تقسیم ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی به دست میاد و هرچه این عدد نزدیک تر به یک باشه بهتره. پس طبیعتا رگولاتور های LDO راندمان بالاتری دارن. اهمیت راندمان برای اینه که فرض کنید رگولاتور انتخابی ما drop out برابر 2 ولت داره؛ میزان توانی که به صورت هرز تلف میشه بسیار بیشتر از زمانیه که drop out ما کمتر باشه، برای همین رگولاتورهای راندمان پایین رو برای دستگاه های پرتابل و گجت ها اصلا پیشنهاد نمیکنم.

• نویز زایی: گفتیم هر کاری که منظم انجام بشه سبب ایجاد یه فرکانس میشه و میتونه به عنوان نویز روی بقیه تاثیر بذاره. یکی از قطعاتی که خیلی حساسه میکروکنترلره و یکی از دلایل گذاشتن خازن در نزدیکی پین های VCC و GND میکرو ها خازن دیکوپلینگ همین مورده،صبر کنید کار به اینجا ختم نمیشه گاهی اون قدر این قضیه فرکانس کاری رگولاتور ما مهم میشه که میکرو ها الزام می کنند از یه رگولاتور با سوئیچینگ خاص فقط باید استفاده بشه

• سرعت: تصور کنید شما برای قسمتی از اتومبیل خودران که وظیفه حیاتی داره رگولاتوری خاص گذاشتید که در زمان بحران فعال بشه، مثلا باز شدن کیسه های سرنشین. اگه سرعت فعال شدن و رگوله شدن ولتاژ خروجی از چند نانو ثانیه بیشتر بشه به نظرتون چه فاجعه ای رخ میده؟
  برای همین سرعت یکی از عوامل مهمه که در دیتاشیت های بعضی رگولاتورها خصوصا رگولاتورهای مورد استفاده در خودران ها بیان میشه اما به جهت حساسیت کار باید خودمون تست های متعددی رو در شرایط مختلف انجام بدیم.

• Line regulation: قبل از اینکه این مورد رو بگم زمانی که داشتم یه منبع تغذیه خیلی دقیق برای یه دانشگاه دولتی مطرح می ساختم این نکته خیلی پر رنگ شد، چرا که اونا دقت یک دهم درصد مد نظرشون بود. این پارامتر با درصد بیان میشه و هر چقدر به صفر نزدیک تر باشه بهتره و منظور میزان تلورانس و خطای ولتاژ خروجیه؛ مثلاline regulation رگولاتور lm7805 برابر با 5 درصده ینی ولتاژ خروجی بین 4.75 ولت و 5.25 ولته. این پارامتر توسط شرکت اعلام میشه اما برای جاهای حساس مثل همون منبع تغذیه دقیق یا مدارات مخابراتی یا FPGA خیلی حیاتی میشه. یکی از دلایلی که ماژول های مختلف در بازه ولتاژی کار می کنن همینه؛ مثلا ماژول sim800 با ولتاژ 4 ولت و line regulation پنج درصد کار میکنه.

• Load regulation هم مثل line regulation میمونه، با این تفاوت که به جای ولتاژ مربوط به جریانه.